Ny topologisk isolator omdirigerer fotonisk trafik i farten

Topologiske isolatorer er en spilleskiftende materialeklasse; ladede partikler kan flyde frit på deres kanter og føre sig rundt om fejl, men kan ikke passere gennem deres interiør. Denne perfekte overfladeledning giver løfte om hurtige og effektive elektroniske kredsløb, selvom ingeniører må kæmpe med, at interiøret i sådanne materialer effektivt er spildplads.

Nu, forskere fra University of Pennsylvania, hvor topologiske isolatorer først blev opdaget i 2005, har vist en måde at opfylde dette løfte på et felt, hvor fysisk rum er til en endnu større præmie:fotonik. De har vist, for første gang, en måde for en topologisk isolator at gøre brug af hele sit fodaftryk.

Ved at bruge fotoner i stedet for elektroner, fotoniske chips lover endnu hurtigere dataoverførselshastigheder og informationstætte applikationer, men de komponenter, der er nødvendige for at bygge dem, forbliver betydeligt større end deres elektroniske modparter, på grund af manglen på effektiv dataroutningsarkitektur.

En fotonisk topologisk isolator med kanter, der kan redefineres i farten, imidlertid, ville hjælpe med at løse problemet med fodaftryk. At kunne føre disse "veje" rundt om hinanden efter behov betyder, at hele den indre masse kan bruges til effektivt at opbygge dataforbindelser.

Forskere ved Penn's School of Engineering and Applied Science har bygget og testet sådan en enhed for første gang, offentliggøre deres resultater i tidsskriftet Videnskab .

"Dette kan have stor indflydelse på applikationer med stor informationskapacitet, som 5G, eller endda 6G, mobiltelefon netværk, "siger Liang Feng, adjunkt i Penn Engineering's afdelinger for materialevidenskab og teknik og el- og systemteknik.

"Vi tror, ​​at dette kan være den første praktiske anvendelse af topologiske isolatorer, " han siger.

Feng ledede undersøgelsen sammen med kandidatstuderende Han Zhao, medlem af sit laboratorium. Laboratoriemedlemmer Xingdu Qiao, Tianwei Wu og Bikashkali Midya, sammen med Stefano Longhi, professor ved Polytechnic University of Milan i Italien, også bidraget til forskningen.

De datacentre, der danner rygraden i kommunikationsnetværk, ruter opkald, tekster, vedhæftede filer og streaming af film til og mellem millioner af mobilenheder. Men da mængden af ​​data, der strømmer gennem disse datacentre, stiger, det samme gør behovet for datarouting med høj kapacitet, der kan følge med efterspørgslen.

Skift fra elektroner til fotoner ville fremskynde denne proces til den kommende informationseksplosion, men ingeniører skal først designe et helt nyt bibliotek med enheder til at få disse fotoner fra input til output uden at blande dem og miste dem i processen.

Fremskridt inden for databehandlingshastighed inden for elektronik har været afhængig af at gøre deres kernekomponenter mindre og mindre, men fotoniske forskere har haft brug for en anden tilgang.

Feng, Zhao og deres kolleger satte sig for at maksimere kompleksiteten af ​​fotoniske bølgeledere - de foreskrevne stier, som individuelle fotoner går fra input til output - på en given chip.

Forskernes prototype fotoniske chip er cirka 250 mikron i kvadrat, og har et tesselleret gitter af ovale ringe. Ved at "pumpe" chippen med en ekstern laser, målrettet mod at ændre de fotoniske egenskaber af individuelle ringe, de er i stand til at ændre hvilken af ​​disse ringe, der udgør grænserne for en bølgeleder.

Resultatet er en rekonfigurerbar topologisk isolator. Ved at ændre pumpemønstrene, fotoner på vej i forskellige retninger kan dirigeres rundt om hinanden, tillader fotoner fra flere datapakker at rejse gennem chippen samtidigt, som en kompliceret motorvejsudveksling.

"Vi kan definere kanterne således, at fotoner kan gå fra en hvilken som helst inputport til en hvilken som helst outputport, eller endda til flere udgange på én gang, "Det siger Feng." Det betyder, at forholdet mellem havne og fodaftryk er mindst to størrelsesordener større end nuværende state-of-the-art fotoniske routere og switches. "

Øget effektivitet og hastighed er ikke den eneste fordel ved forskernes tilgang.

"Vores system er også robust mod uventede fejl, "Siger Zhao." Hvis en af ​​ringene er beskadiget af et støvkorn, for eksempel, den skade er bare ved at lave et nyt sæt kanter, som vi kan sende fotoner med. "

Da systemet kræver en off-chip laserkilde til at omdefinere bølgeledernes form, forskerens system er endnu ikke lille nok til at være nyttigt til datacentre eller andre kommercielle applikationer. Næste trin for teamet vil være at etablere en hurtig rekonfiguration på en integreret måde.